污染水體應急治理+生態(tài)修復耦合理論的研究

陳麗媛 ，潘紅忠 ，王宇飛 ，姚華明 ，3

（1.長江大學資源與環(huán)境學院，武漢 430100；2.濕地生態(tài)與農(nóng)業(yè)利用教育部工程研究中心，湖北 荊州 434000；3.中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443000）

在我國由于水體適用標準差異或是功能界定不當，即使實現(xiàn)了達標排放，納污水體仍然面臨較大的水質(zhì)超標風險［1］，在不達標排放或發(fā)生突發(fā)性水污染事件時更甚。在工程實際中，常采用應急治理的方法來快速治理水污染，其中又以化學法最為普遍。以PAC絮凝劑為例，因其即時、高效，常作為水污染應急治理的基本手段；但與此同時，其“治標不治本”，且易造成二次污染的不足，也限制了其科研及實際中的應用。毋庸置疑，應急治理可快速打開局面，并為后續(xù)生態(tài)修復創(chuàng)造條件。本文基于應急治理與生態(tài)修復耦合的現(xiàn)實意義，探討應急治理與生態(tài)修復耦合的理論體系，以期為工程實際和科學研究提供科學語境及研究思路。

1 應急治理+生態(tài)修復耦合的組成要素及其關(guān)系

1.1 耦合的組成要素

應急治理+生態(tài)修復耦合是圍繞水生態(tài)環(huán)境改善和生態(tài)系統(tǒng)再演化的研究。應急治理主要以物理化學吸附、化學氧化分解、物理攔截、稀釋換水等技術(shù)手段為代表，是即時控制性的組成要素。生態(tài)修復主要對生態(tài)系統(tǒng)進行調(diào)整平衡、提高凈化能力，代表長期維護的組成要素。

耦合是一種外部環(huán)境和人為參與共同作用于水體的過程。水體背景指標的變化體現(xiàn)了在一定環(huán)境條件下，人為活動和近岸改變、生物等作用的輸入信號變換，而水體環(huán)境內(nèi)部的水、營養(yǎng)元素、生物、水泥交界面的狀態(tài)則反映了輸入所產(chǎn)生的響應。外部環(huán)境對水體的物質(zhì)輸入控制既為水生態(tài)系統(tǒng)提供了能量變化也激活了系統(tǒng)運動方式［2］。應急治理更多是通過直接控制外部環(huán)境的輸入信號發(fā)揮作用，而生態(tài)修復是鑒于環(huán)境因素的交互機制和連鎖響應分析優(yōu)勢種生態(tài)位特征，調(diào)整水體中群落結(jié)構(gòu)，以促進水生態(tài)向著平衡穩(wěn)定方向演替。

1.2 要素間的關(guān)系

應急治理往往以相對短暫的時間、高強度的輸入作用于水體生態(tài)系統(tǒng)，形成長久的影響。生態(tài)學和物質(zhì)循環(huán)的性質(zhì)決定了水體生態(tài)系統(tǒng)的內(nèi)部響應存在路程效應，應急治理與生態(tài)修復有效的基礎(chǔ)在于輸入能形成正疊加效應足以使水體環(huán)境從惡性不可逆的穩(wěn)定態(tài)突變?yōu)榭梢詣?chuàng)造更多生境的臨界態(tài)，再漸變式地演化為可以消化系統(tǒng)內(nèi)部正常漲落的自組織系統(tǒng)。

目前對治理修復的關(guān)注多集中在技術(shù)上的作用方式、施用地點、因素改變、強度等方面，而對實施的時間繼起關(guān)系和排列次序考慮不足。應急治理與生態(tài)修復的耦合在于水體環(huán)境宏觀上的整合協(xié)調(diào)與微觀的能動性相結(jié)合。

在耦合系統(tǒng)中，應急治理的部分與生態(tài)修復部分是存在物理、化學和生物學的相互聯(lián)系的。如水生態(tài)系統(tǒng)中的水土作用、生物代謝積累等現(xiàn)象都需要基于這些聯(lián)系具體考量，因此，研究這些要素的耦合不能只是割裂的從采取的每項措施的成分分析，還應該結(jié)合各組成要素的存在方式，也就是措施間的繼起關(guān)聯(lián)。

2 理論研究的基礎(chǔ)

2.1 可生化性是治理修復工作的重要參考指標

可生化性對污染水體的處理效果和處理工藝的選擇有重要意義。應急治理作為長期修復工作的預處理或前期階段，采取以物理、化學手段為主的技術(shù)作用以提高可生化性，削弱水體毒性和富營養(yǎng)化程度。提供給微生物或其他修復環(huán)境的生態(tài)手段一個適應并發(fā)揮作用的環(huán)境。

2.2 目前的技術(shù)研究證明應急治理可以無顯著副作用

以應急治理手段中備受爭議的絮凝劑為例，目前研究表明在水系統(tǒng)自然環(huán)境中的轉(zhuǎn)移和降解沒有發(fā)現(xiàn)殘留AMD釋放的證據(jù)，另外發(fā)現(xiàn)多種能對高分子絮凝劑進行生物降解的微生物。

2.3 應急治理+生態(tài)修復耦合能實現(xiàn)1+1>2的效果

水體生態(tài)環(huán)境遭遇某類或某幾類污染物質(zhì)的突增，超過水環(huán)境容量，造成水環(huán)境系統(tǒng)失穩(wěn)。治理修復技術(shù)上的復合提高對于應用環(huán)境的適應靈活度，改變傳統(tǒng)采用單一技術(shù)治理的不足，解決實際推廣應用中存在問題，形成達到優(yōu)勢互補。應急治理能適應實際環(huán)境中水質(zhì)的波動，而耦合方式符合污染物成分復雜的情況。

2.4 有效的實際研究案例

有研究表明，利用生物菌劑、鎖磷劑及水生植物復合治理景觀水體后可由劣Ⅴ類水改善為Ⅴ類水體，根據(jù)其第二年所進行的長達半年監(jiān)測結(jié)果顯示仍基本滿足Ⅴ類水體標準［3］。魯康橋等［4］利用水體快速凈化劑、微生物制劑和水體曝氣復氧這類應急手段在60d內(nèi)消減的COD、氨氮、TP分別可達到2.18，2.53，0.3t，后續(xù)采取長效提質(zhì)的工程實踐說明應急治理+生態(tài)修復的耦合研究是具有現(xiàn)實意義的。

3 應急治理+生態(tài)修復耦合的優(yōu)勢

治理修復工作通常是面對流動性差、缺氧和濁度色度高的水體［5］。在這樣的初始項目環(huán)境下，生態(tài)修復往往難以得到好的治理效果，甚至會加重水環(huán)境的污染。工程應用中，前期進行應急治理的必要和優(yōu)勢突出，而對應的修復水環(huán)境的長效性、生態(tài)性和經(jīng)濟安全的一些原則，需要采用生態(tài)集成技術(shù)的優(yōu)勢，在對污染成因的詳盡了解后，采取有針對性的治理措施，完善生態(tài)修復過程。在治理修復過程中，需要考慮不同技術(shù)間的優(yōu)勢和適用范圍差異，根據(jù)對現(xiàn)場情況的詳盡調(diào)查了解，精準找出實現(xiàn)治理目標的阻礙。在應急處理階段，采取底泥疏浚、投加絮凝劑、活水保質(zhì)等手段，達到快速增加水體透明度、減少內(nèi)源污染釋放和固定重金屬的效用?？焖傧诔魹檫M一步的曝氣、利用水生動植物及微生物等改善水質(zhì)工作創(chuàng)造生境，形成穩(wěn)定的水體環(huán)境。

4 應急治理+生態(tài)修復耦合的方法

結(jié)合主導水環(huán)境問題的點源、面源、內(nèi)源和突發(fā)事件污染的耦合情況，不同的污染水體采用不同的集成技術(shù)進行綜合治理，同時能與主流的水質(zhì)預報預警的主要關(guān)注方面一致［6］。短效即時的應急治理手段與貫穿全程的長效抑制污染修復生態(tài)的手段相結(jié)合，從污染物的排放、擴散、累積的階段入手，因地制宜進行治理。

由于不同水體項目具體情況和問題成因差異較大，通過比選分析各種治理修復方式的優(yōu)劣，根據(jù)水體污染的不同類型，主要劃分為四個方向的分析思路（如圖1）。

圖1 對于不同污染類型水體修復治理的分析思路

再通過整理修復治理的主次重點，采用適宜的集成技術(shù)進行綜合治理是 “應急治理+生態(tài)修復耦合”的技術(shù)路線方法，通過小試、中試等方式確定具體最適宜的耦合方案。

5 治理修復思路及技術(shù)工藝分類

針對污染情況的復雜性（污染類型、水體類型、區(qū)域氣候水文情況等），分析污染源類型、項目場地特點，采用不同的集成技術(shù)進行治理。

5.1 針對點源污染為主的技術(shù)工藝

點源污染的討論通常分為工業(yè)污廢水和城市污水兩類，針對其固定的排污口或入河排污口采取措施進行治理。弄清點源污染主體單位、排放點，明確治理責任，應急措施以在源頭上減排為首要方式。城市排水管網(wǎng)點源污染的主要問題是合流制管網(wǎng)雨天溢流、合流制下游污水處理設(shè)施雨季超越溢流、混接管網(wǎng)直排［7，8］。主要的技術(shù)是截流和雨污分流、取締非法排污口及在污水口處建沉淀池并定期處理。

應急治理耦合生態(tài)修復技術(shù)在李大河治理過程中取得了一定成效。根據(jù)水體污染的程度和治理目標，將治理修復工作分為應急治理、水質(zhì)改善和長效穩(wěn)定的3方面。根據(jù)需求目標，考量輕重緩急，以改善水體感官效果為初步目標，通過增氧曝氣、微生物絮凝沉淀、調(diào)藻改水3項措施，增加水體透明度，使水體顏色由黑變綠。在河水透明度、河流復氧條件優(yōu)化后，通過調(diào)整河流系統(tǒng)的微生物和浮游植物的生態(tài)位寬度及重疊程度，促成有益于河流恢復的優(yōu)勢種群，進而改進未來的生態(tài)環(huán)境，使得河流生態(tài)系統(tǒng)在不依靠人工治理的情況下維持穩(wěn)定。從水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果看，除磷和除氮工作效果顯著。全河段7個監(jiān)測點，總磷和化學需氧量這兩個指標均已優(yōu)于地表水Ⅳ類標準；總磷削減率可達60%，氨氮、總氮的變化趨勢基本一致，削減率可達52.6%。治理后，總銻有大幅度削減；苯胺類不再檢出，全河段各項指標持續(xù)向好。

5.2 針對面源污染為主的技術(shù)工藝

面源污染具有排放路徑隨機、排放量大面廣，并且產(chǎn)匯流空間異質(zhì)性大等特點［15］。

技術(shù)耦合的主要措施分為三個方面：一是從源頭上減量和回用；二是從過程上控制，選擇動力需求小、可持續(xù)性高的技術(shù)手段。生態(tài)護坡形成污染緩沖帶，以攔截阻斷污染匯流并減少地表徑流流量，優(yōu)化土地利用格局，增加對城市地表清掃，減少污染物累積數(shù)量，增強地面的透水性能等；三是對受納水體進行直接治理修復，如重建完整的河湖生態(tài)結(jié)構(gòu)，增強水生態(tài)的穩(wěn)定性，利用物理、化學和生物聯(lián)合作用的方式使水體恢復功能。

5.3 針對內(nèi)源污染為主的技術(shù)工藝

沉積物和底質(zhì)中的有機質(zhì)和重金屬在沉降累積和擾動釋放過程中成為上覆水的污染源。

目前的治理修復思路根據(jù)實際項目限制條件的情況，可分為異位修復和原位修復兩個方向。異位修復以疏浚清淤為代表，在了解底泥的特征基礎(chǔ)上，選擇合適的清淤方法設(shè)備，進行深度的清淤工作并對淤泥進行處理處置，避免二次污染。原位修復則有鋪設(shè)材料對底泥覆蓋、投加化學藥劑對底泥進行減害處理、通過微生物降解對底泥進行減量減害及底部曝氣等方法。由于內(nèi)源污染作用的界面在水面以下，因此應急治理和生態(tài)修復應側(cè)重減少不必要的侵入擾動，在表征水體環(huán)境屬性變化的跟蹤監(jiān)測中，除了常規(guī)的水質(zhì)指標，水體底質(zhì)的物理化學性質(zhì)的表現(xiàn)也應該引起關(guān)注。

5.4 針對突發(fā)性水污染事件的技術(shù)工藝

對于水體突發(fā)污染事件的研究和治理修復，可分為有毒有機物污染事故、重金屬污染事故、溢油事故和生物性污染物污染。對于有毒有機物主要采取吸附和氧化分解等物理化學方法；而突發(fā)的重金屬污染事故則主要采用化學沉淀和吸附；突發(fā)性油類污染主要是通過建設(shè)圍欄、利用吸油材料物理回收的方式；微生物濃度超標等生物性污染采取化學氧化和強化消毒技術(shù)等進行處理。由于突發(fā)污染事件的特點，治理的技術(shù)路線突出對污染快速響應和控制的關(guān)注。

6 結(jié)語

應急治理+生態(tài)修復耦合的理論基礎(chǔ)是人為活動參與和自然相互作用下的響應機制。但是，由于以往對應急治理研究表現(xiàn)出的薄弱，加之作為交叉學科的理論整合不足，使應急治理耦合生態(tài)修復在理論上的研究和工程應用中的實踐往往是表現(xiàn)為一些主觀經(jīng)驗，或是未提煉成系統(tǒng)概念。耦合人為主導的應急措施與自然生態(tài)系統(tǒng)自我恢復的運動，探索自然生態(tài)系統(tǒng)與人為活動在治理修復機制中的作用步驟，以及在這一過程中污染物質(zhì)（如富營養(yǎng)元素、重金屬等）是如何受到調(diào)節(jié)的還有待進一步研究。耦合的主次關(guān)系、關(guān)鍵影響因子的定量分析有待更深入地開展。